復合相變蓄熱器的應用

復合相變蓄熱器的應用

0冷凝器熱回收技術隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，使用空調(diào)的使用變得越來越受歡迎?？照{(diào)作為能源消耗的大戶,在整個能源的合理利用和有效節(jié)能中應起到帶頭的作用。據(jù)統(tǒng)計,上海市近年來空調(diào)用電負荷約占夏季用電高峰負荷的50%。由壓縮式制冷的工作原理可以得到機組在制冷工況下運行時要向大氣環(huán)境排放大量的冷凝熱,其值可達制冷量的1.1～1.3倍。采用熱回收裝置可充分利用空調(diào)系統(tǒng)的廢熱,減少大氣環(huán)境污染,同時提供免費的生活用水,是一條變廢為寶的節(jié)能途徑。從國內(nèi)的研究狀況來看,冷凝熱的回收方式主要是考慮直接加熱自來水或者是采用蓄水槽的顯熱回收。直接加熱自來水的問題很明顯,就是空調(diào)系統(tǒng)運行時段與熱水使用時段的時間差問題和冷凝熱量不能與生活熱水用量同步。因此,設置蓄熱裝置就顯得很必要,它可以存儲中午空調(diào)滿負荷時產(chǎn)生的熱水用以補充晚上空調(diào)低負荷時產(chǎn)水量的不足。國內(nèi)現(xiàn)在研究集中在蓄水槽的顯熱回收,主要缺點就是占用面積太大,而且換熱效率低。劉紅娟等提出了用相變材料蓄熱來解決此難題。在此基礎上本文提出了把蓄熱水池與相變材料相結合的裝置回收空調(diào)冷凝熱。1驗機組的組成熱回收空調(diào)系統(tǒng)由常規(guī)空調(diào)機組、熱回收蓄熱器、水箱及相應的管路與閥門組成。系統(tǒng)的裝置如圖1:該實驗機組由壓縮機、風冷冷凝器、蓄熱器、儲液器、電子膨脹閥、風冷蒸發(fā)器、電加熱器以及輔助設備(如閥門、水箱、溫控裝置、水泵、配電箱等)組成。其特征在于:在空調(diào)機組回路的冷凝器上串聯(lián)一個相變蓄熱器和一個水蓄熱器,壓縮機出口出來的制冷劑依次通過它們。蓄熱器回收壓縮機的冷凝排熱,是該系統(tǒng)的重心。1.1空調(diào)系統(tǒng)的冷卻法2.熱回收空調(diào)系統(tǒng)可以實現(xiàn)三種運行模式:單一制冷、制冷加蓄熱(熱回收)以及釋熱模式。1)單一制冷工況單一制冷工況的工作原理與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相同,此工況下三通閥2通往蓄熱器的一路關閉,制冷劑直接流向冷凝器(四通閥10上下口關閉,左右口開啟),空調(diào)系統(tǒng)的冷凝排熱直接排出,未加利用。2)制冷加蓄熱(熱回收)工況制冷機向空調(diào)用戶供冷,同時所釋放的冷凝熱量被蓄熱器中相變材料儲存起來。開始時蓄熱器內(nèi)相變材料溫度較低,即蓄熱器出口溫度較低,因此制冷劑無需流入常規(guī)風冷式冷凝器而直接進入儲液器。隨著蓄熱器內(nèi)相變材料和水的溫度升高,制冷劑流出蓄熱器的溫度也升高,若制冷劑流出蓄熱器的溫度高于空調(diào)系統(tǒng)標準工況下的冷凝溫度,制冷劑則需進入冷凝器進一步冷卻。制冷機組的制冷能力,隨蒸發(fā)溫度的降低而減少,隨冷凝溫度的升高而減少。一般來說,空調(diào)系統(tǒng)進行蓄熱時它的冷凝溫度也會相應的提高一些,對空調(diào)的正常運行影響不大,因此空調(diào)系統(tǒng)正常運行時均可同時對冷凝排熱進行回收(蓄熱)。3)釋熱工況當需要熱水的時候,打開閥門8,使儲水箱里的自來水依次進入水蓄熱池和相變蓄熱器進行熱交換,可使這些水由原來的常溫20℃加熱到40℃左右。如果實際中需要更高溫度的熱水,可用電加熱器3輔助加熱,進一步提高熱水的溫度,達到需要的要求。由前面的分析看出,熱回收空調(diào)系統(tǒng)的釋熱可與制冷、蓄熱同時運行而不會互相影響、互相干涉。1.2石蠟蓄熱器的簡介空調(diào)用蓄熱材料屬于低溫蓄熱材料。對蓄熱材料的主要要求是:相變溫度合適,相變潛熱大,體積變化小,材料安全無毒且環(huán)境負荷小,熱導性、耐久性、流動性好、成本低,制作簡單。本文相變蓄熱器采用的材料為改性石蠟。石蠟作為相變蓄熱材料,其熔解溫度要和空調(diào)系統(tǒng)的冷凝溫度相匹配。目前市場上供應的石蠟,其熔點一般在50℃左右,而中央空調(diào)標準工況冷凝溫度為54.4℃左右,要直接利用石蠟作為蓄熱材料需要降低其熔點。由于溶劑中加入溶質(zhì)會降低溶劑熔點,故在石蠟中加入一種添加劑使其熔點降低。文中采用添加重量比為10%的食品添加劑,食品添加劑為月桂酸、草莓香精。1.3管殼式蓄熱器的結構設計目前所研究設計的相變潛熱儲能系統(tǒng)大多由相變材料和傳熱流體兩部分組成,通過傳熱流體與相變材料間能量的交換來實現(xiàn)能量的儲存與釋放。與普通換熱器相比,相變儲能換熱器的特點是換熱器中需同時布置流體管道和相變材料,并且在相變傳熱過程中相變界面的移動使相變材料的傳熱熱阻逐漸變化。壓縮冷凝機組冷凝熱回收系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是蓄熱器,它與普通的蓄熱器有些不同,由三部分組成,即相變材料(石蠟基相變材料),熱流體(制冷劑流體)和冷流體(水)。由于石蠟基相變蓄熱材料的傳熱性能較差,所以需要通過優(yōu)化蓄能裝置的結構來改善其蓄能和放能特性。當換熱器兩側(cè)流體的換熱系數(shù)相差較大時,在換熱系數(shù)小的流體一側(cè)加上翅片,可擴大換熱面表面積、并促進流體的擾動減小傳熱熱阻,有效地增大傳熱系數(shù),從而增加傳熱量?；诖嗽?將管殼式換熱器與翅片管式換熱器結合,設計出套片式大翅片管殼式蓄熱器。該蓄熱器既具有管殼式換熱器的特點,又具有翅片管式換熱器的優(yōu)點。1.4蓄熱過濾系統(tǒng)設計蓄熱水槽的體形可根據(jù)工程的具體情況確定,通常情況下為了提高蓄熱熱水槽的利用率蓄熱水槽多是圓形和矩形,平底圓桶形的水槽外表面積與體積之比小于同樣容積的矩形槽,前者的熱量損失就小于后者,所以工程中宜采用圓形水槽。蓄熱水槽要做好保溫,盡量減少熱量的損失,工作溫度為40～95℃,要求表面熱損失不大于47W/m2。在保溫層外要求做保護層,可采用鋁板或不銹鋼作保護層。2蓄熱式熱交換器利用相變材料作為蓄熱介質(zhì),屬于潛熱蓄能,其蓄熱密度與相變材料的相變潛熱有很大關系,隨著相變潛熱的增大而增大。水作為顯熱蓄熱介質(zhì),其蓄熱量的多少與水的顯熱吸收有很大的關系,隨著顯熱的增大而增大。同時,在相變材料全部熔解以后還可以繼續(xù)利用水的顯熱吸熱對空調(diào)系統(tǒng)的冷凝排熱進行熱回收以吸收更多的冷凝排熱。采用相變蓄熱材料與水作為蓄熱介質(zhì)的蓄熱器可把兩者的優(yōu)點結合起來。從量的角度考慮,一般來說,系統(tǒng)的排氣顯熱部分只占全部熱量的15%～20%,即使全部顯熱被水蓄熱吸收也是很有限的,而且溫度也不會太高,進而生產(chǎn)出的熱水溫度也不高,不能滿足熱用戶的溫度需求,還需用輔助電加熱器進一步加熱,又將消耗一部分能量。而采用復合相變蓄熱器不但可以吸收水的顯熱,而且還可以吸收部分相變潛熱,回收的熱量大。在實驗中,蓄熱式熱交換器是按照空調(diào)器標準工況(54.4℃/7.2℃)名義制冷量為7kW,輸入功率為100W等參數(shù)來定的,因此其總的蓄熱量約為8.75kW(按名義制冷量的1.25倍計算),其中該系統(tǒng)所產(chǎn)生的冷凝熱中冷凝潛熱有7.437kW(約為冷凝熱的85%),顯熱部分占1.312kW(約為冷凝熱的15%)。冷凝潛熱即過熱部分則全部由相變蓄熱器吸收,而顯熱部分則有大約一半即0.656kW被蓄熱水箱吸收。蓄熱器設計中,熱交換器按照雙鹿空調(diào)器三匹機名義制冷量7kW設計的。每m3石蠟的潛熱量為47.5kWh/m3,現(xiàn)總蓄熱量Qk=7.437kW(冷凝溫度50℃),則需用石蠟量V=0.157m3,質(zhì)量為141.3kg(假定蓄熱時間為1小時)。3制冷裝置的設計1)目前,蓄熱器在國外已廣泛應用,在我國也逐漸發(fā)展起來。余熱和太陽能等資源的有效利用,迫切需要設計和發(fā)展高效率、低成本的相變蓄熱器,但對蓄熱器的設計計算尚無統(tǒng)一的方法。因此,對蓄熱器的設計也處于摸索階段。2)對蓄熱介質(zhì)的要求是:熱容量大、蓄熱能力強,化學穩(wěn)定性好,熔點低,對人體、動植物無害、價格低廉,制作簡單。我國對蓄熱材料的開發(fā)有待進一步加強。3)應盡可能使制冷裝置在較低的冷凝溫度下運行。在設計中選取的冷凝溫度是定值,而實際運行中的冷凝溫度是變化的。冷凝溫度與環(huán)境溫度有關,不僅隨季節(jié)變化,而且每天晝夜也在不斷變化,因此在設計時應充分考慮各種不利因素,選擇適當?shù)睦淠郎囟?保證制冷裝置在高效率下節(jié)能運行。4)換熱器除了保證有與所改造機頭的功率相適應的換熱面積外,還必須有較低的阻力不會影響制冷機原有工況,否則會降低出力。4回收水處理系統(tǒng)的經(jīng)濟效益分析本文中采用獨特的復合型蓄熱器回收空調(diào)的冷凝熱,解決了常規(guī)蓄熱水器水箱過大或熱需求側(cè)與供應側(cè)量與時間不平衡的問題。采用相變材料蓄熱效果好,貯熱時間長。通過分析可看出,該系統(tǒng)不但可以滿足設計的要求,減少對環(huán)境的污染,節(jié)省了